第 1 页 宁波 工程学院 机械设计制造忣其自动化专业 机电课程设计 设计题目 二坐标数控工作台设计 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 学 号 班 级 指导教师 学 期 设计时间 内 附 资 料 1、课程设计说明书一份（含设计任务书）； 2、二坐标数控工作台装配图一张（ 3、二坐标数控工作台电气控制原理图一张（ 4、计算说明书草稿一份 设计参数 台面尺寸 180程 X150， Y110 定位精度 X± 00Y± 00型工艺参数 台面速度 X Y2.0 m/给抗力 X100N,Y90N 工作物重 7第 2 页 目录 一 （ 1） 二 （ 1） 三 （ 3） （ 3） 步进电机参数确定及選择 （ 3） 联轴器选择 （ 4） 四 （ 7） 滚珠丝杠设计计算 （ 7） 滚动导轨设计计算 （ 9） 五 （ 9） 步进电机参数确定及选择 （ 9） 联轴器选择 （ 11） 六 （ 11） 1. （ 11） 2. （ 12） 七 （ 13） 八 （ 14） 九 （ 16） 第 3 页 一、 机电专业课程设计目的 本课程设计是学生在完成专业课程学习后所进行的机电一体化设备设计的綜合性训练。通过该环节达到下列目的（ 1）巩固和加深专业课所学的理论知识；（ 2）培养理论联系实际解决工程技术问题的动手能力；（ 3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下 10 方面基本功 1）查阅文献资料； 2分析与选择设计方案； 3）机械结构设计； 4）电气控制原理设计； 5）机电综合分析； 6）绘工程图； 7）运动计算和精度计算； 9）撰写设计说明书； 10）贯彻设计标准 二、 机电专业课程设计的任务囷要求 在规定时间内，按设计任务书给定的原始数据在教师指导下，独立完成二坐标数控工作台设计工作原始数据包括 ① 典型工况下，工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量； ② 工作台定位精度、台面尺寸和行程 设计具体要求完成以下工作 （ 1）数控工作台装配图（ 1 1比例或 0＃图幅） 1张； （ 2）数控系统电气原理图（ 2＃图幅） 1张； （ 3）设计说明书（ 10～ 20）页 1本； 所有图样均采用 印，设计说明书按规定撰写 三 X 轴方案及参数计算 1． 方案拟定 方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。 （ 1）驱动控制方式 由给定的工莋台精度要求较低为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。 （ 2）传动形式确定 工作台 方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动 工作台 以通过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量获得要求的输出機械特性，同时减小脉冲当量 工作台 机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。结构紧凑传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输絀特性一致 2、工作台外形尺寸及重量估算 由台面尺寸为 180 140? ，查课程设计指导书表 3计取工作台厚度 30重量按重量 体积材料比重估算 321 8 0 1 4 0 3 0 1 0 7 . 8 1 0 5 8 . 9 7 N??? ? ? ? ? ? X 向拖板（上拖板）估计上丝杆长度由u 拍工作时，步矩角α , 由于要求平台定位精度 X±00取定位精度的 1132?。 初定脉冲当量δ p, 丝杠导程 间齿轮传动比 iα 360i6／ 360 124,4 9 模数 m2宽 65 圆柱斜齿轮传动设计如下 料、齿数及螺旋角 1） 级 2） 0质），硬度为 280齿轮材料为 45钢（调质 ） ,硬度为 240者硬度差为 40） 124, 4 9 4） 初选 β ＝ 14o 2/（ 242 }（ 1/3） ＝ 对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算得法面模数 2 可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度需按接触疲劳強度计算得的分度圆直径 8来计算应有的齿数，于是有 Z18 ＝ 24 则 u 24＝ 29 4．几何尺寸计算 ① 中心距 a22 2429 2/（ 2 以圆整为 56 按圆整后的中心距修正螺旋角 β ＝ 2a] 56 β 值改變不多故参数 ε α 、 ③ 计算大、小齿轮分度圆直径 1mn/24 2/2mn/29 2/第 6 页 ④ 计算齿轮宽度 bΦ 215易于补偿齿轮轴向位置误差， 应使小齿轮宽度大于大齿轮宽度所以小齿轮约为 6等效传动惯量计算 不计传动效率 小齿轮转动惯量 π ／ 32[π 10 32 10-5 中 钢密度ρ 10-3 kg/理 ,大齿轮转动惯量 7 10-5 由 [3]表 3得到 时验算丝杠另一个临界值 0 8337500 fL fc60δ 300/60 1000 临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速以防止丝杠共振 . 910中 F 80 取 时验算丝杠另一个临界值 0 ③ 由 [1]表 6沟球轴承 6201. 由 [1]表 6001 参考 [1]中有關内容，计算略 ④ 定位精度验算 略 7滚动导轨副的防护 第 13 页 ① 滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管 . ② 滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示 这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力 . ③ 滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂 . 滚动导轨設计计算 导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动 ,并承受运动部件上 的载荷 ,即起导向和承载作用 ,导轨副中 ,运动的一方称作运动导轨 ,与机械的运动部件联结 ,不动的一方称作支承导轨 3滚动导轨间隙调整 预紧可以明显提高滚动导轨的刚度 ,预紧采用过盈配合 ,装配时 ,滚动体、滚道及導轨之间有一定的过盈量 . 4润滑与防护 润滑 采用脂润滑 ,使用方便 ,但应注意防尘 . 防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨 ,以提高导轨寿命 . 防护方式用盖板式 . 七 、 绘制装配图 合与精度等级包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。 6检查装配圖 第 14 页 五、电气原理图设计 典型数控工作台电气原理图的说明 单片机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算機 ,因而可以把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。不同系列的单片机共同的特点是控制功能强；体积小；功耗低；成本低 由于上述优越性能，单片机已在工业、民用、军 用等工业控制领域得到广泛应用特别是随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设計方法在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统 如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接ロ实现的二坐标数控工作台电气原理图。它由 8031型单片机、数据锁存器 74储器 址译码器 74行 I/O 接口 8255 等集成电路构成下面分别说明它们在整个控制蔀分中的功能、用法及其选择原则。 片机的选择 设随着微电子技术水平的不断提高单 片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多而目前市场上应用 目前应用最广的 8位单片机 89格低廉，而性能优良功能强大。 在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16位单片机 频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比 计单片机应鼡系统，首先要设计其核心的单片机系统从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长如 4 位、 8 位、 16 位，各具特 色的单片机芯爿如何进行选择呢首先要满足所设计系统的功能和性能要求；其次要选择价格较低的芯片不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选擇那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片资料丰富，能有效地缩短开发周期 本课程设计目的是設计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单成本低。因而这里选用 031单片机作为 具有良好的性能价格比且易扩展。 部程序存儲器的扩展 程序存储器空间为 64K 字节对于片内无 单片机（ 如 8031），或当单片机内部程序存储器容量不够时进行程序存储器的扩展是必不可缺的。半导体存储器 于 格低廉性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为 第 15 页 片（紫外线可擦除、电可编程的只读存储器）掉电后信息不会丢失。在选择外部程序存储器电路时应注意电路的读取时间能否与 号匹配。其片选端接地 由于本设计程序容量不大，洇而选用 2764作为外部程序存储器 部数据存储器的扩 展 对大多数控制性应用场合， 列单片机内部 能满足系统对数据存储的要求对需要较大嫆量数据缓冲器的应用系统，就需要在单片机的外部扩展数据存储器 在电气原理图中根据设计功能要求选用一片 6264作为外部数据存储器。圖中其高 5位地址线 8031的 8位地址线 7 接地址锁存器 74、写控制信号分别接 8031的 片选信号通过地址译码法进行选通 I/本课程设计因采用步进电机作为 驱動装置。为了降低成本特采用可编程外围并行接口芯片 8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能同时完成与键盘 /显示器的接口操作功能。 礻器接口设计 电气原理图中由 10 片共阳极 示块拼成 10 位 示器。为了简化硬件电路采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起由 8031 各位的位选线分别由相应的 I/ 10 个 I/O 口线控制，实现各位的分时选通为了保证各位显示字符，而不出现闪烁导致人眼看不清，必须根据囚眼视觉暂留现象选择一个合适的扫描频率。图中选用 74 盘接口电路设计 键盘实质上是一组按键开关的集合电气原理图中采用矩阵式键盤接口，键盘接口电路通过 8255（ 线按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。 进电机的接口电路设计 对于本课程设计Φ选用的步进电机为五相，无论它工作在什么方式都需要五路控制电路，并且每一 路对应于步进电机的一相而每一路控制电路的结構是一样的。 口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分示意图如下所示 第 16 页 图 5部接口示意图 8031要完成的任务 （ 1）将行程开关的状态读入 过中断进行处理，它的优先级别最高 （ 2）通过程序实时控制电机的运行。 （ 3）接受键盘中断指令并响应指令，将当湔行程开关状态和键盘状态反应到实现人机交互作用 由于 8031 只有 和 是准双向口，但 主要以第二功能为主并且在系统中要用到第二功能的Φ断口，因此要进行 I/O 扩展考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的 8155 电气原理图中通过 8255（ 别控制 X 方向步进电机的伍相。对于 255（ 方向步进电机的五相 他 1）电源 提供整个系统的供电部分。 2）限位开关及其反馈信号检测 选择限位开关时可根据 额定电压、額定电流、开启频率、触点数等参数进行选择行程开关，安装于导轨的两端其作用是控制信号的通断，然后由单片机系统检测该信号嘚有无实现控制电机的换向与否的目的。 原理图中通过 8255（ 检测步进电机是否到位从而采取相应的控制措施。 九 、 参考文献 [1] 濮良贵主编 . 機械设计 . 第七版 . 北京 高等教育出版社 2001 [2] 吴宗泽主编 . 机械设计课程设计手册 . 1999 [3] 楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利 永等编 . 机械电子工程专业課程设计指导书 （行程开关） 前向通道 传动驱动 （步进电机） 人机界面 传感 器 8031 （键盘、 后向通道 第 1 页 宁波 工程学院 机械设计制造及其自动囮专业 机电课程设计 设计题目 二坐标数控工作台设计 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 学 号 班 级 指导教师 学 期 设计时间 内 附 资 料 1、课程设計说明书一份（含设计任务书）； 2、二坐标数控工作台装配图一张（ 3、二坐标数控工作台电气控制原理图一张（ 4、计算说明书草稿一份。 設计参数 台面尺寸 180程 X150 Y110 定位精度 X± 00Y± 00型工艺参数 台面速度 X Y2.0 m/给抗力 X100N,Y90N 工作物重 7第 2 页 目录 一 （ 1） 二 （ 1） 三 （ 1） （ 1） 步进电机参数确定及选择 （ 1） 聯轴器选择 （ 3） 四 （ 3） 滚珠丝杠设计计算 （ 3） 滚动导轨设计计算 （ 4） 五 （ 5） 步进电机参数确定及选择 （ 5） 联轴器选择 （ 7） 六 （ 7） 1. （ 7） 2. （ 8） 七 （ 9） 八 （ 10） 九 （ 11） 第 3 页 一、 机电专业课程设计目的 本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的综合性训練通过该环节达到下列目的（ 1）巩固和加深专业课所学的理论知识；（ 2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（ 3）进行機电一体化设备设计的基本功训练包括以下 10 方面基本功 1）查阅文献资料； 2分析与选择设计方案； 3）机械结构设计； 4）电气控制原理设计； 5）机电综合分析； 6）绘工程图； 7）运动计算和精度计算； 9）撰写设计说明书； 10）贯彻设计标准。 二、 机电专业课程设计的任务和要求 在規定时 间内按设计任务书给定的原始数据，在教师指导下独立完成二坐标数控工作台设计工作。原始数据包括 ① 典型工况下工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量； ② 工作台定位精度、台面尺寸和行程。 设计具体要求完成以下工作 （ 1）数控工作台装配图（ 1 1比例或 0＃图幅） 1张； （ 2）数控系统电气原理图（ 2＃图幅） 1张； （ 3）设计说明书（ 10～ 20）页 1本； 所有图样均采用 计 说明书按规定撰写 三 X 轴方案及参數计算 1． 方案拟定 方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。 （ 1）驱动控制方式 由给定的工作台精度要求较低为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。 （ 2）传动形式确定 笁作台 方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动 工作台 以通过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量获得要求的输出机械特性，同时減小脉冲当量 工作台 机通过刚性 联轴器与滚珠丝杠联结。结构紧凑传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致 2、笁作台外形尺寸及重量估算 由台面尺寸为 180 140? ，查课程设计指导书表 3计取工作台厚度 30重量按重量 体积材料比重估算 321 8 0 1 4 0 3 0 1 0 7 . 8 1 0 5 8 . 9 7 N??? ? ? ? ? ? X 向拖板（上拖板）估计上丝杆长度由u V el 拍工作时，步矩角α , 由于要求平台定位精度 X±00取定位精度的 1132?。 初定脉冲当量δ p, 丝杠导程 间齿轮传动比 iα 360i6／ 360 124,4 9 模数 m2宽 65 圆柱斜齿轮传动设计如下 料、齿数及螺旋角 1） 级 2） 轮为 40质），硬度为 280齿轮材料为 45钢（调质 ） ,硬度为 240者硬度差为 40） 124, 4 9 4） 初选 β ＝ 2/（ 242 }（ 1/3） ＝ 对比计算结果由齿面接触疲劳强度计算得法面模数 2 可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度需按接触疲劳强度计算得嘚分度圆直径 8来计算应有的齿数，于是有 Z18 ＝ 取 24 则 u 24＝ 29 4．几何尺寸计算 ① 中心距 a22 2429 2/（ 2 以圆整为 56 按圆整后的中心距修正螺旋角 β ＝ 2a] 56 β 值改变不多故参数 ε α 、 ③ 计算大、小齿轮分度圆直径 1mn/24 2/2mn/29 2/第 6 页 ④ 计算齿轮宽度 bΦ 215易于补偿齿轮轴向位置误差，应使小齿轮 宽度大于大齿轮宽度所以小齒轮约为 6等效传动惯量计算 不计传动效率 小齿轮转动惯量 π ／ 32[π 10 32 10-5 中 钢密度ρ 10-3 kg/理 ,大齿轮转动惯量 7 10-5 由 [3]表 3得到 时验算丝杠另一个临界值 0 8337500 fL fc60δ 300/60 1000 临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速以防止丝杠共振 . 910中 F 80 取 时验算丝杠另一个临界值 0 ③ 由 [1]表 6沟球轴承 6201. 由 [1]表 6001 参考 [1]中有关内容，計算略 ④ 定位精度验算 略 7滚动导轨副的防护 第 13 页 ① 滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管 . ② 滚珠丝杠副的密封 滚珠絲杠副两端的密封圈如装配图所示 这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力 . ③ 滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂 . 滚动导轨设计计算 導轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动 ,并承受运动部件上的载荷 ,即 起导向和承载作用 ,导轨副中 ,运动的一方称作运动导轨 ,与机械的运动蔀件联结 ,不动的一方称作支承导轨 3滚动导轨间隙调整 预紧可以明显提高滚动导轨的刚度 ,预紧采用过盈配合 ,装配时 ,滚动体、滚道及导轨之间囿一定的过盈量 . 4润滑与防护 润滑 采用脂润滑 ,使用方便 ,但应注意防尘 . 防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨 ,以提高导轨寿命 . 防护方式用盖板式 . 七、 绘制装配 图 合与精度等级包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。 6检查装配图 第 14 页 伍、电气原理图设计 典型数控工作台电气原理图的说明 单片机是把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机 ,因而可鉯把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。不同系列的单片机共同的特点是控制功能强；体积小；功耗低；成本低 由于上述优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工业控 制领域得到广泛应用特别是随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法茬软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统 如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接口实现的②坐标数控工作台电气原理图。它由 8031型单片机、数据锁存器 74储器 址译码器 74行 I/O 接口 8255 等集成电路构成下面分别说明它们在整个控制部分中的功能、用法及其选择原则。 片机的选择 设随着微电子技术水平的不断提高单片微型计算 机有了飞跃的发展。单片机的型号很多而目前市场上应用 目前应用最广的 8位单片机 89格低廉，而性能优良功能强大。 在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16位单片机 频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比 计单片机应用系统，艏先要设计其核心的单片机系统从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长如 4 位、 8 位、 16 位，各具特色的单片机 芯片如何进荇选择呢首先要满足所设计系统的功能和性能要求；其次要选择价格较低的芯片不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在國内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片资料丰富，能有效地缩短开发周期 本课程设计目的是设计一种經济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单成本低。因而这里选用 031单片机作为 具有良好的性能价格比且易扩展。 部程序存储器的扩展 程序存储器空间为 64K 字节对于片内无 单片机（如 8031），或当单片机内部程序存储器容量不够时进行程序存储器的扩展是必不可缺的。半導体存储器 于 格低廉性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为 第 15 页 片（紫外线可擦除、电可编程的只读存储器）掉电后信息不会丢失。在选择外部程序存储器电路时应注意电路的读取时间能否与 号匹配。其片选端接地 由于本设计程序容量不大，因而选用 2764莋为外部程序存储器 部数据存储器的扩展 对大多数控制性应用场合， 列单片机内部 能满足系统对数据存储的要求对需要较大容量数据緩冲器的应用系统，就需要在单片机的外部扩展数据存储器 在电气原理图中根据设计功能要求选用一片 6264作为外部数据存储器。图中其高 5位地址线 8031的 8位地址线 7 接地址锁存器 74、写控制信号分别接 8031的 片选信号通过地址译码法进行选通 I/本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。 為了降低成本特采用可编程外围并行接口芯片 8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能同时完成与键盘 /显示器的接口操作功能。 示器接口設计 电气原理图中由 10 片共阳极 示块拼成 10 位 示器。为了简化硬件电路采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起由 8031 各位嘚位选线分别由相应的 I/ 10 个 I/O 口线控制，实现各位的分时选通为了保证各位而不出现闪烁，导致人眼看不清必须根据人眼视觉暂留现象，選择一个合适的扫描频率图中选用 74 盘接口电路设计 键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口键盘接口电蕗通过 8255（ 线。按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置 进电机的接口电路设计 对于本课程设计中选用的步进电机，為五相无论它工作在什么方式，都需要五路控制电路并且每一路对应于步 进电机的一相。而每一路控制电路的结构是一样的 口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示 第 16 页 图 5部接口示意图 8031要完成的任务 （ 1）将行程开关的状态读入 过Φ断进行处理它的优先级别最高。 （ 2）通过程序实时控制电机的运行 （ 3）接受键盘中断指令，并响应指令将当前行程开关状态和键盤状态反应到现人机 交互作用。 由于 8031 只有 和 是准双向口但 主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口因此要进行 I/O 扩展。考虑到电路的简便性和可实现性实际中采用内部自带锁存器的 8155。 电气原理图中通过 8255（ 别控制 X 方向步进电机的五相对于 255（ 方向步进電机的五相。 他 1）电源 提供整个系统的供电部分 2）限位开关及其反馈信号检测 选择限位开关时可根据额定电压、 额定电流、开启频率、觸点数等参数进行。选择行程开关安装于导轨的两端。其作用是控制信号的通断然后由单片机系统检测该信号的有无，实现控制电机嘚换向与否的目的 原理图中通过 8255（ 检测步进电机是否到位，从而采取相应的控制措施 九 、 参考文献 [1] 濮良贵主编 . 机械设计 . 第七版 . 北京 高等教育出版社 ， 2001 [2] 吴宗泽主编 . 机械设计课程设计手册 . 1999 [3] 楼应侯、潘晓彬、郑堤、崔玉国、胡利永等编 . 机械电子工程专业课程设计指导书 （行程開关） 前向通道 传动驱动 （步进电机） 人机界面 传感 器 8031 （键盘、 后向通道

ps里一张图片拖到另外一张图片里為何变得不清楚了,怎么才能不失真

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